Пластинчатый теплообменник с компланарными каналами



Пластинчатый теплообменник с компланарными каналами
Пластинчатый теплообменник с компланарными каналами
Пластинчатый теплообменник с компланарными каналами
Пластинчатый теплообменник с компланарными каналами

 


Владельцы патента RU 2516743:

Открытое акционерное общество "Уфимское агрегатное предприятие "Гидравлика" (RU)

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в рекуперативных теплообменниках. Теплообменник содержит послойно расположенные гофрированные пластины, гофры которых скрещиваются, причем гофры выполнены переменной ширины по шагу через одну, поочередно двух размеров, образующих площади проходных сечений для воздуха FB и для газа FГ в соотношении между собой, определяемым по формуле

,

где

рB - давление воздуха в тракте теплообменника

рГ - давление газа в тракте теплообменника

ΔрВ - потери давления воздуха в тракте теплообменника

ΔpГ - потери давления газа в тракте теплообменника

tB - температура воздуха в тракте теплообменника

tГ - температура газа в тракте теплообменника

Технический результат - оптимизация габаритов пластинчатых теплообменников с компланарными каналами. 1 ил.

 

Изобретение относится к области рекуперативных теплообменников, применяемых в авиационных газотурбинных двигателях, а также в стационарных газотурбинных установках с регенеративными циклами, для подогрева воздуха, поступающего из компрессора в камеру сгорания, выхлопными газами на выходе из турбины.

Известны пластинчатые теплообменники с компланарными каналами, содержащие послойно гофрированные пластины, гофры которых скрещиваются. [Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: Учебник для вузов / В.Л.Иванов, А.И.Леонтьев, Э.А.Манушин, М.И.Осипов; Под ред. А.И.Леонтьева. - 2-е изд., стереотип.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - 592 с. Рисунок 2. 18 на странице 105], [Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2/Пер. с англ. под ред. О.Г.Мартыненко и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с. Рисунок 16 на странице 83 и рисунки 1 и 2 на странице 88].

Недостатком известных пластинчатых теплообменников с компланарными каналами, содержащими послойно гофрированные пластины, гофры которых скрещиваются, является одинаковая ширина канавок гофр, что обеспечивает одинаковые площади проходных сечений разветвляющихся трактов для прохода сжатого в компрессоре воздуха с невысокой температурой, с одной стороны пластины, и для прохода расширившегося в турбине газа с высокой температурой, с другой стороны пластины. Так как массовые расходы воздуха и газа через разветвляющиеся тракты теплообменника практически одинаковы, а объемный расход горячего газа существенно выше объемного расхода сжатого воздуха, то в разветвляющемся тракте горячего газа возникают большие скорости и, как следствие, имеют место большие гидравлические потери этого тракта, по сравнению с трактом для сжатого воздуха, что противоречит требованиям практики обеспечения более низких гидравлических потерь тракта горячего газа, во избежание запирания турбины, и приводит к необходимости увеличивать площади проходных сечений тракта горячего газа, что влечет за собой и ненужное увеличение площади проходных сечений тракта для сжатого воздуха из-за симметричности каналов по обеим сторонам пластины, тем самым увеличивая общие габариты теплообменника.

Задачей изобретения является оптимизация габаритов пластинчатого теплообменника с компланарными каналами.

Это достигается тем, что пластинчатый теплообменник с компланарными каналами содержит послойно расположенные гофрированные пластины, гофры которых скрещиваются, при этом гофры выполнены переменной ширины по шагу через одну, поочередно двух размеров, образующих площади проходных сечений разветвляющихся трактов для воздуха FВ и для газа FГ по обеим сторонам пластины в соотношении межу собой, определяемом как

F Г F В = Δ p B Δ p Г р В ( t Г + 273 ) р Г ( t В + 273 ) [ 20,92 ( 1 + 0,00135 t Г ) 21,3 ( 1 + 0,00135 t B ) ] 0,252 3 ,

где

рB - давление воздуха в тракте теплообменника

рГ - давление газа в тракте теплообменника

ΔрВ - потери давления воздуха в тракте теплообменника

ΔpГ - потери давления газа в тракте теплообменника

tB - температура воздуха в тракте теплообменника

tГ - температура газа в тракте теплообменника

чем обеспечиваются оптимальные значения скоростей в обоих разветвляющихся трактах и, тем самым, оптимальные габариты теплообменника.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого теплообменника. Теплообменник содержит послойно гофрированные пластины 1 и 2, гофры которых пересекаются и расположены симметрично относительно плоскости их соприкосновения, образующие разветвляющиеся тракты для воздуха 3 и для газа 4 по обеим сторонам пластины с гофрами переменной ширины через одну, поочередно двух размеров, обеспечивающих оптимальное соотношение площадей проходных сечений разветвляющихся трактов для воздуха и разветвляющихся трактов для газа по обеим сторонам пластины.

При работе пластинчатого теплообменника сжатый в компрессоре воздух проходит по разветвлениям тракта 3, а расширившийся в турбине газ по разветвлениям тракта 4 со взаимной обкруткой потоков в разветвлениях в своем тракте между контактами выступов скрещивающихся гофр, а за счет разных площадей проходных сечений разветвляющихся трактов 3 для воздуха FB и разветвляющихся трактов 4 для газа FB обеспечиваются оптимальные значения скоростей в обоих разветвляющихся трактах и тем самым оптимальные габариты теплообменника.

Использование отличительных признаков в заявляемом пластинчатом теплообменнике с компланарными каналами, содержащем послойно гофрированные пластины, гофры которых скрещиваются, позволяет оптимизировать габариты пластинчатого теплообменника. Тем самым повышается технический уровень пластинчатого теплообменника с компланарными каналами, содержащего послойно гофрированные пластины, гофры которых скрещиваются, как важного крупногабаритного элемента в газотурбинных установках с регенеративными циклами для передачи теплоты выхлопных газов на выходе из турбины сжатому воздуху, поступающему из компрессора в камеру сгорания ГТД, за счет обеспечения оптимального соотношения площадей проходных сечений разветвляющихся трактов для газа и для воздуха по обеим сторонам пластины, чем обеспечиваются оптимальные значения скоростей в обоих трактах и, тем самым, оптимальные габариты теплообменника.

Получение уравнения для расчета отношения площадей проходных сечений разветвляющихся трактов для газа и для воздуха F Г F B

Эквивалентный гидравлический диаметр при течении теплоносителя между гофрированными пластинами определяется как dl=4Vl/Sl, где Vl - объем между пластинами; Sl - площадь смоченной поверхности [Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2 / Пер. с англ. под ред. О.Г.Мартыненко и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с. рисунок 16 на странице 83 и рисунки 1 и 2 на странице 88], или этот диаметр может быть определен, как известно, отношением учетверенной площади проходного сечения F к смоченному периметру Sc как dl=4F/Sc. Число Рейнольдса в компланарном канале определяется через скорость потока в нем W, или через расход теплоносителя G по известной формуле

Гидравлическое сопротивление (падение полного давления Δρ) для всего тракта длиной L, расположенного под углом β 2 (β - угол пересечения гофр пластин) к осевому направлению движения обоих теплоносителей, можно определить из уравнения подобия для коэффициента гидравлического сопротивления для гофрированных пластин

ζ с о п р = Δ p ρ W 2 2 = ζ L d l = 4 f L d l = 4,88 Re 0.252 L d l , ( 2 )

где ξ=4f - гидросопротивление одного калибра канала, а параметр f определяется по числу Рейнольдса как f=1,22 Re-0,252.

Значит

ζ = 4,88 Re 0,252 = Δ p ρ W 2 2 d l L = 4,88 ( G d l μ F ) 0,252 , ( 3 )

откуда потери полного давления в канале определятся как

Δ p = 4,88 ( G d l μ F ) 0,252 ρ W 2 2 L d l ( 4 )

Учитывая, что расход теплоносителя G=WρF, умножив и разделив последнее выражение на ρF2, получим

Δ p = 4,88 G 2 L ( G d l μ F ) 0.252 2 d l ρ F 2 = 2,44 G 1,748 L μ 0,252 d l 1,252 F 1,478 ρ ( 5 )

Отношение задаваемых потерь давления ΔрВ для воздуха и ΔpГ, для газа, определяемых по формуле (5), определится как

Δ р B Δ p Г = μ B 0,252 μ Г 0,252 ρ Г ρ В ( d l Г d l B ) 1,252 ( F Г F B ) 1.748 = ( μ B μ Г ) 0,252 ρ Г ρ В ( 4 F Г S c 4 F B S c ) 1,252 ( F Г F B ) 1.748 = = ( μ B μ Г ) 0,252 ρ Г ρ В ( F Г F B ) 3 ( 6 )

Учитывая зависимость коэффициентов динамической вязкости воздуха µВ и газа µГ от температуры по формулам [Исаченко В.П., Осипова В.Л., Сукомел А.С.Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.]

μ B = 21,3 10 6 ( 1 + 0,00135 t o C ) ( 7 )

μ Г = 20,92 10 6 ( 1 + 0,00135 t o C ) ( 8 )

и зависимость плотности ρ по формуле ρ = p R ( t + 273 ) , из зависимости (6)

получим формулу для расчета отношения площадей проходных сечений разветвляющихся трактов для газа и воздуха по заданным ΔрВ и ΔрГ, рВ, рг, tВ, tГ в виде

F Г F В = Δ p B Δ p Г р В ( t Г + 273 ) р Г ( t В + 273 ) [ 20,92 ( 1 + 0,00135 t Г ) 21,3 ( 1 + 0,00135 t B ) ] 0,252 3 ( 9 )

Пример расчета оптимального соотношения площадей Fг и Fв по формуле (9)

Ставится задача разработать компактный теплообменник с оптимальной геометрией на следующие параметры:

G=0,79 кг/с - расходы воздуха и газа по своим трактам одинаковы

t B ! = 214 о C ( 487 K ) - температура воздуха на входе в теплообменник после сжатия в компрессоре

t B ' ' = 574 о C ( 847 K ) - температура воздуха на выходе из теплообменника перед подачей его в камеру сгорания

t Г ! = 650 о C ( 923 K ) - температура газа на входе в теплообменник после расширения его в турбине

t Г ' ' = 299 о C ( 572 K ) - температура газа на выходе из теплообменника после отдачи теплоты воздуху

tВ=394°С (667К) - средняя температура воздуха в теплообменнике

tГ=474°C (747K) - средняя температура газа в теплообменнике

рB=446625Па - среднее давление воздуха в теплообменнике

рГ=108625Па - среднее давление газа в теплообменнике

Δрв=6750 Па - потери давления в тракте воздуха

ΔрГ=2750 Па - потери давления в тракте газа

Оптимальное соотношение площадей проходных сечений трактов для газа и для воздуха определяется по формуле (9)

F Г F В = 6750 446625 2750 108625 ( 474 + 273 ) ( 394 + 273 ) [ 20,92 ( 1 + 0,00135 474 ) 21,3 ( 1 + 0,00135 394 ) ] 0,252 3 = 2,2535

Пластинчатый теплообменник с компланарными каналами, содержащий послойно расположенные гофрированные пластины, гофры которых скрещиваются, отличающийся тем, что гофры выполнены переменной ширины по шагу через одну, поочередно двух размеров, образующих площади проходных сечений для воздуха FВ и для газа FГ в соотношении между собой, определяемом по формуле
F Г F В = Δ p B Δ p Г р В ( t Г + 273 ) р Г ( t В + 273 ) [ 20,92 ( 1 + 0,00135 t Г ) 21,3 ( 1 + 0,00135 t B ) ] 0,252 3 ,
где
рB - давление воздуха в тракте теплообменника
рГ - давление газа в тракте теплообменника
ΔрВ - потери давления воздуха в тракте теплообменника
ΔpГ - потери давления газа в тракте теплообменника
tB - температура воздуха в тракте теплообменника
tГ - температура газа в тракте теплообменника.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к листам из чистого титана, которые могут быть использованы для изготовления пластин теплообменников. .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть применено в радиаторах отопительных и охлаждающих установок. .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при изготовлении теплообменников из композиционных материалов. .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при изготовлении теплообменников. .
Изобретение относится к области теплообмена, а именно к области теплообменных аппаратов, и может быть использовано в качестве элемента тепломассообменных устройств общего назначения, а именно, в процессах ректификации, абсорбции, очистки и осушки природного газа, а также в качестве смесителей жидких и газовых потоков, в качестве разделителей фаз в сепарационных устройствах, в качестве контактных элементов в конденсаторах смешения и может найти применение практически во всех технологических процессах нефтяной и газовой промышленности.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при изготовлении пластинчатых теплообменников. .

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в любых отраслях техники для нагрева или охлаждения жидких или газообразных сред, а также в качестве испарителей и конденсаторов.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в любых отраслях техники для подогрева или охлаждения жидких или газообразных сред, в том числе для газотурбинных установок.

Изобретение относится к газотурбостроению и может быть применено в рекуператорах. .

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в пластинчато-трубчатых теплообменниках. В теплообменнике, содержащем ряд пар теплообменных пластин, изготовленных из металлического листа, имеющего трехмерную систематизированную структуру, причем внутри ряда указанных пар образован первый проточный канал, а между указанными парами образован второй проточный канал, при этом каждая пластина имеет по меньшей мере одно сквозное отверстие, сквозное отверстие окружено язычками, вырезанными в его зоне и отогнутыми наружу, причем язычки одной пластины введены в сквозное отверстие соседней пластины. Технический результат - обеспечение прочного соединения между смежными пластинами в зоне сквозного отверстия. 3 н. и 12 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в пластинчато-трубчатых теплообменниках. В теплообменнике, содержащем ряд пар теплообменных пластин, изготовленных из металлического листа, имеющего трехмерную систематизированную структуру, причем внутри ряда указанных пар образован первый проточный канал, а между указанными парами образован второй проточный канал, при этом каждая пластина имеет, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, в каждой указанной теплообменной пластине выполнено по меньшей мере одно вспомогательное отверстие, имеющее выступающую кромку, образующую отбортовку, вставляемую в соответствующее вспомогательное отверстие соседней теплообменной пластины. Технический результат - обеспечение прочного соединения между смежными пластинами в зоне сквозного отверстия. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, предназначено для использования в теплообменных аппаратах и может применяться в космической, авиационной, энергетической, химической, пищевой и других отраслях промышленности. Пакет пластин теплообменного аппарата состоит из одинаковых пластин сетчато-поточного типа с турбулизаторами в виде полых двусторонних выступов одинаковой высоты в форме усеченных конусов, по вершинам которых стянуты пластины, образующие между собой сетку взаимных опор с прямоугольной структурой и каналы теплоносителей между ними. Основания усеченных конусов выполнены в виде параллелограммов, стороны которых являются сторонами соседних оснований. Соседние выступы соединены седловидными перемычками, образующими ребра жесткости. Технический результат изобретения заключается в повышении жесткости конструкции, что позволяет увеличить давление теплоносителей и разницу давлений между ними и способствует улучшению теплообмена. 2 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. Наборный пластинчатый теплообменник содержит множество наборных коллекторов. В каждом коллекторе имеется пара удлиненных плоских пластин, установленных одна за другой с интервалом. Дополнительная стенка расположена между парой плоских пластин и соединяет между собой периферийные края пары плоских пластин. У каждой из пластин имеются две торцевые части, в каждой из которых выполнено сквозное отверстие. Множество наборных коллекторов выровнено в линию вдоль первой и второй осей, проходящих через отверстия в каждой торцевой части. При этом дополнительная стенка включает в себя дистанционные прокладки, расположенные частично вокруг каждого отверстия в каждой торцевой части, и первые боковые штанги, расположенные вдоль каждого бокового края пары удлиненных плоских пластин. Путь потока среды первой среды проходит через множество наборных коллекторов вдоль первой оси и выходит из множества наборных коллекторов вдоль второй оси. Множество путей потока второй среды проходит между смежными коллекторами и гидравлически изолировано от пути потока первой среды, находясь с ним в тепловом контакте. Технический результат - повышение прочности. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. Пластинчатый теплообменник включает в себя стопу из множества пластин, каждая из которых имеет вход и выход для текучей среды. Каждые соседние две пластины скреплены друг с другом в своих областях, где верхние части гофреного участка, предусмотренного в нижней из пластин, и нижние части гофреного участка, предусмотренного на верхней из пластин, перекрывают друг друга, если смотреть в направлении укладки стопой. В частности, верхняя часть, входящая в число верхних частей гофреного участка нижней пластины и являющаяся соседней с каждым из входа и выхода, имеет планарную форму. Технический результат - увеличение прочности пластинчатого теплообменника на сжатие. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 30 ил.

Изобретение относится к способу изготовления охлаждающего модуля (10) в виде корпуса с внутренним пространством (24) для размещения батарейных ячеек (22), причем корпус имеет между впускной и выпускной зонами один или несколько параллельных друг другу охлаждающих каналов (20) и выполняется, по меньшей мере, частично из одного или нескольких отрезков полого профиля (30). Технический результат - создание альтернативного способа изготовления охлаждающего модуля с одновременным снижением затрат. 4 н. и 28 з. п. ф-лы, 27 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. Теплообменник содержит множество пластин, каждая из которых содержит множество углублений, при этом углубления содержат вершины и основания, вершины, по меньшей мере, одной пластины теплообменника соединены с основаниями смежной пластины теплообменника и, по меньшей мере, часть углублений соединена с, по меньшей мере, одним смежным углублением посредством участка стенки. Технический результат - повышение эффективности и стабильности теплообменника. 15 з.п.ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к производству гофрированных листов из композиционных материалов для высокотемпературных теплообменников перекрестного типа, используемых в авиационной и ракетно-космической технике, дизельных двигателях, бойлерах и т.д. Способ изготовления гофрированного листа для теплообменника из композиционных материалов включает изготовление препрега с последующим его расположением на поверхности основания с зигзагообразным профилем, точно воспроизводящим внутренний контур формуемого гофрированного листа; нанесение на поверхность профиля основания адгезионного слоя и обеспечение полного прилегания препрега к основанию по всей поверхности зигзагообразного профиля основания; выравнивание гофры по высоте ответной прижимной плитой, нагрев для карбонизации сборки из основания с приклеенным к нему гофрированным препрегом и ответной прижимной плитой; охлаждение сборки и извлечение из нее полученного гофрированного листа, уплотнение гофрированного листа карбидом кремния из газовой фазы метилсилана. При этом препрег изготавливают из нетканого материала на основе волокна карбида кремния или углерода толщиной от 0,1 до 0,35 мм. При этом перед формированием препрега нетканый материал со стороны профиля основания соединяют с непроницаемой при комнатной температуре для адгезионного слоя и связующего полимерной пленкой, разлагающейся без коксового остатка во время карбонизации. Изобретение позволяет уменьшить массу гофрированного листа и повысить теплосъем через гофру. 1 ил., 2 пр.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к теплоэнергетическим установкам, используемым для помещений, зданий, сооружений, а также в различных промышленных газотурбинных установках. Теплообменная поверхность, имеющая на поверхности выемки с переменной глубиной и шириной, в каждой из которых выполнены ребра, причем ребра расположены вдоль основного потока в верхней по потоку части и образуют две диффузорные полости. Технический результат - увеличение теплоотдачи за счет увеличения мощности теплового потока в диффузорных полостях и, как следствие, уменьшение габаритов теплообменной поверхности. 3 ил.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при разработке блоков пластинчато-ребристых теплообменников, применяемых в криогенных установках различного назначения. Система распределения каждого из теплообменивающихся потоков между параллельно включенными теплообменными аппаратами в блоках пластинчато-ребристых теплообменников, входящих в состав криогенных установок, выполнена в виде комбинации подводящих и отводящих трубопроводов теплоносителей к аппаратам, общих подводящих и отводящих коллекторов и отдельных подводящих и отводящих трубопроводов на каждый из аппаратов - ответвлений. Выравнивание распределения потоков между аппаратами осуществляется за счет подбора такого соотношения между относительными площадями ответвлений подводящих и отводящих частей коллекторов, коэффициентов сопротивлений подводящих и отводящих частей коллекторов, коэффициента расхода, совокупность которых обеспечивает неравномерность распределения потоков теплоносителей по отдельным аппаратам в блоках пластинчато-ребристых теплообменников не более 2%. Достигается обеспечение равномерного распределения всех теплообменнивающихся потоков между параллельно включенными теплообменниками в блоках пластинчато-ребристых теплообменников криогенных установок.
Наверх